1 引言

電荷量是反映帶電體情況的最本質(zhì)的物理量，它決定著帶電體產(chǎn)生靜電放電的概率和危險(xiǎn)性。一般情況下，電荷量不是直接測量，而是通過測量其它有關(guān)參量來計(jì)算電荷量的多少[1]。常使用的工具是靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)，它們在帶電物體的表面積比測量系統(tǒng)本身大很多或是帶電物體的靜電場很大的情況下能夠很好的工作，測量到的結(jié)果也是比較準(zhǔn)確的。但是在被測量的帶電物體的表面積小或是帶電荷量少的情況下，普通的靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)在測量時(shí)會嚴(yán)重的影響被測物體本身的電荷量，所以無法測量得到被測物體真實(shí)的電荷量。為此，一種新的靜電電位測量系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來，它通過一個(gè)反饋回路減少靜電測量系統(tǒng)本身對被測物體的電荷量的影響，使得到的測量結(jié)果能夠真實(shí)的反映帶電物體的電荷量。

2 普通的靜電電位測量方法

普通的靜電電位測量儀器原理圖如圖1所示[2]。為了避免其它電場的干擾，必須用接地導(dǎo)體將測定電極屏蔽起來。測定電極和屏蔽電極共同構(gòu)成靜電電位測量儀器的探頭。

圖1 普通的靜電電位測量儀器原理圖

當(dāng)探頭放到被測帶電物體附近時(shí)，由于在接地屏蔽導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，它會使被測帶電物體電力線的一部分終止于接地屏蔽導(dǎo)體，從而使測定電極上實(shí)際電位降低，因此，要求儀器的靈敏度應(yīng)有所提高。為了減小誤差，應(yīng)盡量減小探頭的幾何尺寸，并使探頭遠(yuǎn)離被測帶電物體，但是這樣在測定電極上的感應(yīng)電位將降的更低，還將使被測面積擴(kuò)大，儀器的讀數(shù)將偏離被測帶電物體局部電位值而成為大面積上電位的平均值，為了不使儀器的測量面積擴(kuò)大，必須將測定電極后移，這要求再提高儀器的靈敏度。提高測量儀器的靈敏度是有限的，不可能簡單的以不斷提高儀器靈敏度來消除探頭對測量結(jié)果的影響?？s小探頭尺寸減小誤差也是有限度的，因?yàn)?，如果探頭尺寸做得很小，被測帶電物體和測定電極之間很容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。所以普通的靜電電位測量方法測量帶電荷量很大的被測帶電物體時(shí)，探頭對測量結(jié)果的影響可以被接受，但在測量帶電荷量少的被測帶電物體時(shí)，得到的測量結(jié)果就有很大的偏差。

3 新型的靜電電位測量系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的硬件組成

靜電電位測量系統(tǒng)主要由測定電極、保護(hù)電極、電壓跟隨器、調(diào)制器、相位敏感解調(diào)器、積分器電壓放大器和靜電電壓表等八個(gè)部分組成。硬件框圖如圖2所示。在靜電電位測量系統(tǒng)中，測定電極是圓形金屬板，在測定電極周圍裝有保護(hù)電極，用來對電場進(jìn)行整形、固定和靜電屏蔽。保護(hù)電極要有足夠的寬度，而且與被測帶電物體的表面有相近的形狀。為了提高分辨能力，測定電極的面積應(yīng)小些，但小面積的測定電極會降低測量靈敏度，因此，在保證足夠靈敏度的情況下，盡量減小了測定電極的面積。

圖2 具有反饋回路的靜電電位測量系統(tǒng)框圖

3.2 系統(tǒng)的測量原理

該靜電電位測量系統(tǒng)采用交流調(diào)制的方式測量帶電物體表面的電位。系統(tǒng)中的調(diào)制器使測定電極按一定規(guī)律進(jìn)行周期性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在測定電極和電壓跟隨器的輸入端之間就會產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的調(diào)制電流。這個(gè)調(diào)制電流幅值與帶電物體表面電荷產(chǎn)生的靜電場的電位成正比，而調(diào)制電流的相位代表了被測帶電物體所帶電荷的極性[3]。相敏解調(diào)器能夠?qū)φ{(diào)制電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到正電壓或是負(fù)電壓，其大小正比于靜電場的電位，其正負(fù)代表被測帶電物體所帶電荷的極性[4]。被相敏解調(diào)器解調(diào)后的信號被積分器和電壓放大器分別進(jìn)行積分和放大之后，在靜電電壓表中顯示測量得到的結(jié)果。如果被測帶電物體的電荷為正極性，靜電電壓表指針向右偏;如果被測帶電物體的電荷為負(fù)極性，靜電電壓表指針向左偏。而指針?biāo)傅目潭葹闇y量的結(jié)果。在靜電電位測量系統(tǒng)中，被相敏解調(diào)器解調(diào)后的信號被積分器和電壓放大器分別進(jìn)行積分和放大之后，被反饋到保護(hù)電極上，使保護(hù)電極上的電位與被測帶電物體表面的電位相同，因此，在保護(hù)電極與被測物體表面之間的電場為零。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是為了避免保護(hù)電極在測量過程中對被測帶電物體本身電位的影響，使探頭可以與被測物體更接近，在測定電極上感應(yīng)的電位就更加準(zhǔn)確的反映被測物體的局部表面的電位值。同時(shí)，反饋回路還能減小測定電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對調(diào)制器是否穩(wěn)定工作的依賴程度，保證了測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)據(jù)顯示和采集系統(tǒng)

為了能夠通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的靜電電位測量系統(tǒng)，并且將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)保存下來。使用PXI數(shù)據(jù)采集卡代替圖2中的靜電電壓表，結(jié)合LabVIEW的開發(fā)環(huán)境就能夠設(shè)計(jì)出用于靜電電位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置模塊

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前要先進(jìn)行NI PXI6254采集卡的通道設(shè)置。輸入信號的通道設(shè)置包括輸入信號終端設(shè)置、輸入信號的幅值范圍設(shè)置、輸入通道選擇設(shè)置和采樣頻率等的設(shè)置[5]。數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置模塊如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置模塊

其中輸入信號終端的設(shè)置是根據(jù)輸入信號所連接的終端的實(shí)際情況而定的，在LabVIEW的軟件開發(fā)環(huán)境中就要進(jìn)行選定，這里選定的是單端輸入，即RSE[6]。為了在軟件運(yùn)行時(shí)，減少CPU的占用率，在開始采集數(shù)據(jù)之前放置了一個(gè)定時(shí)的控件，這樣在軟件運(yùn)行時(shí)CPU的占用率就會很低[7]。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是非常重要的一個(gè)模塊，它的結(jié)果正確與否直接影響著數(shù)據(jù)存儲和處理的結(jié)果。為了能實(shí)時(shí)顯示各通道信號并刷新，就要求用LabVIEW開發(fā)的系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)類似示波器的功能，即能夠連續(xù)采集信號，實(shí)時(shí)顯示各通道信號并刷新。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，需要采用循環(huán)移位保存的方法。數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示模塊如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在一個(gè)長矩形的金屬條上接通已知的電壓，將具有反饋回路的靜電電位測量系統(tǒng)的探頭放在距金屬條表面約的地方，進(jìn)行測量。測量時(shí)給金屬條接通電壓，保持探頭與金屬條表而的距離不變，沿著金屬條上下掃描，從LabVIEW設(shè)計(jì)的顯示界面中可以看到具有反饋回路的靜電電位測量系統(tǒng)得到的金屬條表面的電位值，如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示模塊

圖5 靜電電位測量系統(tǒng)測得電位值

5 結(jié)論

普通的靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)在測是帶電物體表面的電位時(shí)，因?yàn)樘筋^對被測帶電物體表面電場的影響，使測定電極上實(shí)際的電位降低。因此，普通的靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)不適宜測量帶電量少或表面積小的帶電物體表面的電位。

通過研究普通靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)對帶電物體表面電場影響的原因，設(shè)計(jì)的具有反饋回路的靜電電位測量系統(tǒng)能夠解決這一問題。它將測量系統(tǒng)測得的帶電物體表面的電位值反饋到探頭的保護(hù)電極上，使保護(hù)電極與被測物體表面之間的電場為零。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是避免保護(hù)電極在測量過程中對被測帶電物體本身電位的影響，使探頭可以與被測物體更接近，在測定電極上感應(yīng)的電位就更加準(zhǔn)確的反映被測物體的局部表面的電位值。同時(shí)，反饋回路還能減小測定電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對調(diào)制器是否穩(wěn)定工作的依賴程度，保證了測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

利用IN公司的PXI6254數(shù)據(jù)采集卡并結(jié)合LabVIEW的開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)顯示和采集系統(tǒng)，并對接通已知電壓的金屬條進(jìn)行測量。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的具有反饋回路的靜電電位測量系統(tǒng)對于表面電位低的帶電物體測量的準(zhǔn)確度較高。

參考文獻(xiàn)

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